Risparmio energetico nel motore elettrico: da dove partire nella catena delle perdite?

Un ventilatore di aspirazione da 37 kW lavora 6000 ore all'anno con la serranda in uscita semichiusa. Alla riunione sul budget di manutenzione, però, si discute del passaggio del motore da IE3 a IE4. Facendo i conti il quadro si fa interessante: cambiare la classe del motore fa guadagnare qualche migliaio di kWh all'anno, mentre aprire la serranda e ridurre la velocità del ventilatore in base al fabbisogno, sullo stesso motore, può rendere oltre dieci volte tanto. La maggior parte degli impianti che cercano risparmi comincia dal motore; eppure gran parte delle perdite si forma a monte e a valle del motore.

Per questo l'energia va considerata come una catena: l'alimentazione dalla rete, il motore stesso, gli organi di trasmissione, la macchina azionata e, alla fine, il lavoro richiesto alla macchina. La perdita di ogni anello ha un'entità diversa, e diverso è anche il costo per correggerla. Di seguito esaminiamo questi anelli partendo da dove di solito si trova il guadagno maggiore.

Prima la misura: quale motore consuma quanto?

Sapere quanti motori ci sono nell'impianto è una cosa, sapere quali formano la bolletta è un'altra. Per iniziare basta un semplice elenco: potenza del motore, ore di funzionamento annue e corrente di esercizio misurata con pinza amperometrica. Confrontare la corrente di targa con quella misurata indica il fattore di carico approssimativo del motore. Il prodotto di queste tre informazioni dà grosso modo un punteggio di priorità: una pompa antincendio da 45 kW che lavora 300 ore all'anno scende in fondo all'elenco, mentre un ventilatore di torre da 11 kW che gira su tre turni sale ai primi posti.

Le decisioni prese senza misure si concentrano di solito sul motore più visibile: il più grande, il più rumoroso o il più vecchio. Stilato l'elenco, si vede invece che la maggior parte del consumo è dovuta a un numero ridotto di pompe, ventilatori e compressori in funzione continua. Per capire a quale percentuale di carico lavora davvero il motore può consultare l'articolo sul fattore di carico del motore e sul corretto dimensionamento.

La perdita maggiore sta nel lavoro stesso: strozzamento, funzionamento a vuoto, pressione eccessiva

Se la portata viene regolata strozzando la valvola di una pompa o chiudendo la serranda di un ventilatore, il motore continua a girare a piena velocità e la pressione prodotta in eccesso si trasforma in calore nella valvola. Nelle pompe centrifughe e nei ventilatori la potenza varia all'incirca con il cubo della velocità. Ridurre la velocità all'80% dimezza circa, in condizioni ideali, la potenza necessaria (0,8³ ≈ 0,51). Se nel sistema c'è un'elevata pressione statica il rapporto risulta meno favorevole, ma nella maggior parte delle applicazioni di ventilazione e circolazione il guadagno resta comunque grande.

Torniamo al ventilatore iniziale. Supponiamo che per metà dell'anno, cioè 3000 ore, basti l'80% della portata e che venga parzializzato con la serranda. Il ventilatore, che assorbe circa 29,6 kW all'albero, portato all'80% della velocità con un inverter richiede sulla carta 3000 × 29,6 × 0,49 ≈ 43.500 kWh in meno. Le perdite dell'inverter e la curva del sistema riducono questo numero, che resta comunque ben al di sopra del guadagno atteso dal cambio di classe del motore. Il lato di calcolo è trattato in dettaglio nell'articolo su VFD e leggi di affinità.

Sotto la stessa voce rientrano altri due casi spesso trascurati:

• Motori che girano a vuoto. Un trasportatore che gira vuoto durante la pausa, un miscelatore in funzione mentre attende il prodotto o un compressore che lavora a vuoto senza richiesta d'aria continuano ad assorbire potenza per magnetizzazione e attriti. Arrestarli con un temporizzatore o un segnale di livello è spesso una correzione che non richiede investimenti.
• Impostazioni più alte del necessario. Qualche bar di pressione in più nella rete dell'aria compressa o un obiettivo di temperatura dell'acqua di raffreddamento più basso del necessario significano che il motore lavora più a lungo e più carico.

È importante distinguere per quali carichi l'inverter è utile: nei carichi a coppia costante come i trasportatori, ridurre la velocità diminuisce la potenza solo in proporzione alla velocità; qui la regola del cubo non vale.

La potenza persa tra motore e macchina

Gli organi di trasmissione sono fonti di perdita silenziose. Una cinghia trapezoidale allentata slitta e si scalda, una cinghia troppo tesa carica i cuscinetti. Un giunto disallineato produce sia attrito aggiuntivo sia usura precoce dei cuscinetti. Nei riduttori a vite senza fine il rendimento cala sensibilmente all'aumentare del rapporto; in un azionamento a servizio continuo la differenza tra una vite senza fine ad alto rapporto e un riduttore a ingranaggi elicoidali può essere maggiore della differenza di classe del motore. Nella scelta del riduttore, oltre al rapporto, occorre verificare nella tabella dei modelli anche il valore di rendimento.

Nelle trasmissioni a cinghia un'altra opportunità è regolare la velocità con la puleggia. Se il ventilatore gira più veloce del necessario e la portata non varia mai, correggere il rapporto delle pulegge al posto dell'inverter può essere una soluzione meno costosa. Il calcolo è spiegato con esempi nell'articolo sulla regolazione della velocità con pulegge e cinghie.

La perdita del motore stesso: classe, fattore di carico e storia dell'avvolgimento

Sul lato motore si pongono tre domande. La prima è la classe di rendimento. Secondo la IEC 60034-30-1, per un motore a 4 poli da 37 kW il limite di rendimento è 93,9% in IE3, 95,2% in IE4 e 96,1% in IE5. Nel ventilatore iniziale, con il motore che eroga circa 29,6 kW all'albero, usare un IE4 al posto di un IE3 riduce la potenza assorbita dalla rete di circa 0,43 kW, secondo un calcolo approssimativo con il rendimento a pieno carico; in 6000 ore fanno circa 2600 kWh. Per un motore in servizio continuo è un guadagno significativo, ma resta piccolo accanto all'opportunità sul lato processo. Quando l'investimento rientra lo abbiamo calcolato in base alle ore di funzionamento nell'articolo sulla scelta tra IE3 e IE4.

La seconda domanda è il fattore di carico. Il rendimento dei motori asincroni resta piuttosto piatto sopra circa metà carico, mentre a carichi molto bassi cala nettamente e peggiora anche il fattore di potenza. Ridimensionare un motore grande che lavora al 30% del carico migliora sia il rendimento sia il cos φ; cercare di ridimensionare un motore che lavora al 70% porta invece spesso più rischi che vantaggi.

La terza domanda è la storia del motore. Un motore riavvolto più volte, con il pacco lamellare surriscaldato durante il riavvolgimento, può avere perdite aumentate. Per includere anche l'aspetto energetico nella decisione se riavvolgere o meno un motore guasto, è utile l'articolo riavvolgimento o motore nuovo.

Qualità dell'alimentazione e potenza reattiva

Il rendimento di targa vale per un motore alimentato con tensione equilibrata e pari al valore nominale. Un piccolo squilibrio di tensione tra le fasi crea uno squilibrio di corrente più volte maggiore e produce calore aggiuntivo nell'avvolgimento. Anche una tensione nettamente inferiore al valore nominale aumenta la corrente. Collegamenti allentati nel quadro e terminali del contattore surriscaldati producono lo stesso effetto a livello locale; un controllo annuale del quadro con termocamera li mette in evidenza.

Il rifasamento viene spesso presentato come voce di risparmio, ma occorre fare la giusta distinzione. Il rifasamento riduce le penali per energia reattiva e la corrente nei cavi; non modifica invece l'energia attiva che il motore spende per il lavoro all'albero. In bolletta la voce reattiva cala, il consumo in kWh del motore resta lo stesso.

Rendere duraturi i risultati

Una parte delle correzioni con il tempo si perde: la valvola torna a essere strozzata, il temporizzatore viene escluso, la tensione della cinghia non viene controllata. Come misura preventiva, misurare e registrare ogni tre mesi la corrente dei motori in elenco di priorità, sempre nello stesso punto, rivela presto i cambiamenti. Serve una regola anche per il motore da montare in caso di guasto: in un'applicazione a servizio continuo, anziché installare qualunque motore arrivi dal magazzino, definire in anticipo il motore di ricambio per classe di rendimento e potenza riduce fin da subito il consumo degli anni successivi.

Conclusione

Nel bilancio energetico l'ordine è importante. Prima si misura quali motori formano la bolletta, poi si verifica se il lavoro richiesto alla macchina è davvero necessario, quindi si controllano organi di trasmissione e alimentazione; la classe di rendimento del motore è l'ultimo anello di questa catena, ma duraturo. Se sta valutando il passaggio a una classe di rendimento superiore per i motori di pompe, ventilatori e compressori in servizio continuo, può vedere le opzioni nella pagina motori elettrici ad alto rendimento IE4 e valutare la sua applicazione insieme al nostro team tecnico.

Domande frequenti

Da quale motore conviene iniziare il lavoro di risparmio energetico?

Inizi dai motori con potenza, ore di funzionamento annue e fattore di carico misurato più elevati. Di solito in cima all'elenco finiscono pompe, ventilatori e compressori in funzione continua; i grandi motori che lavorano raramente danno invece meno guadagno del previsto.

Montare un inverter su ogni motore fa risparmiare energia?

No. L'inverter porta un guadagno nelle applicazioni in cui portata o velocità variano davvero, soprattutto pompe centrifughe e ventilatori. Su un motore che deve lavorare sempre a piena velocità l'inverter aggiunge le proprie perdite e può aumentare leggermente il consumo.

Il rifasamento riduce il consumo del motore?

Il rifasamento riduce il costo dell'energia reattiva e la corrente nei cavi, ma non modifica il consumo di energia attiva del motore. In bolletta la voce reattiva cala; i kWh corrispondenti al lavoro del motore all'albero restano gli stessi.

Ha senso sostituire un motore IE3 funzionante con un IE4?

Sostituire un motore che funziona senza guasti solo per la classe di rendimento si ripaga in breve tempo solo con ore di funzionamento molto elevate. Nella maggior parte degli impianti la via più pratica è introdurre il motore ad alto rendimento in occasione di un guasto o di un rinnovo pianificato.